夜間通風(fēng)在浙江地區(qū)的適用性研究

高克文 余俊祥 曹益堅(jiān)

浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

夜間通風(fēng)冷卻技術(shù)使用環(huán)境冷風(fēng)降低室內(nèi)溫度及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度。夜間通風(fēng)冷卻的效率主要基于夜間的室內(nèi)外溫差，建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，空氣流率以及空氣流與建筑物的耦合效率，總結(jié)下來，即氣候，建筑以及運(yùn)行技術(shù)三大因素。顯然，要保證較好的通風(fēng)冷卻效果，氣候條件首先應(yīng)當(dāng)滿足要求。夏熱冬冷地區(qū)由于其經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，對(duì)室內(nèi)的熱舒適性要求較高，使得空調(diào)能耗占比越來越大，已有研究表明，在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用夜間通風(fēng)有一定效果，而這些研究主要集中在上海、南京、長(zhǎng)沙等地區(qū)[1-3]。浙江省為夏熱冬冷氣候區(qū)，但其南部與北部在氣候條件上有相對(duì)明顯的差異，因此，本文以它為研究對(duì)象，對(duì)夜間通風(fēng)冷卻技術(shù)在浙江南部及北部的適用性做進(jìn)一步分析。

1 氣候分析方法

Givoni[4]最早提出溫度日較差（Daily air temperature range）是指示夜間通風(fēng)冷卻效率的重要指標(biāo)，不過Blondeau P.[5]則認(rèn)為平均室外溫差（Average outdoor temperature range）也許更能體現(xiàn)地域的通風(fēng)冷卻潛能，之后Givoni 又在之前的研究基礎(chǔ)之上提出溫差比率TDR 作為評(píng)定氣候區(qū)夜間通風(fēng)潛力的指標(biāo)：

式中：Tmax,out為室外最高溫度值；Tmax,in為室內(nèi)的最高溫度值；Tmin,out為室外的最低溫度值。

N.Artmann[6]則提出氣候冷卻潛力（Climatic Cooling Potential，以下簡(jiǎn)稱CCP）的概念來描述氣候區(qū)的夜間通風(fēng)冷卻潛力。

式中：hi=19，hf=7，即夜間通風(fēng)始于晚上7 點(diǎn)結(jié)束于早上7 點(diǎn)，通風(fēng)12 h；室內(nèi)外溫差ΔTcrit=3 K，可以保證足夠的對(duì)流換熱效率，此時(shí)可以采用夜間通風(fēng)；N 是采用夜間通風(fēng)的天數(shù)；Tb,n,h為n 日h 時(shí)的室內(nèi)溫度，Tc,n,h為n 日h 時(shí)的室外溫度。

此外，由于建筑本身的蓄熱性能，建筑得熱與夜間通風(fēng)并非同步進(jìn)行，而CCP 法是在不考慮建筑參數(shù)的情況下，通過分析某一地區(qū)的氣候數(shù)據(jù)來分析評(píng)價(jià)該地區(qū)的夜間通風(fēng)潛力?？紤]到這一情況，N.Artmann 提出用變化的室內(nèi)溫度來計(jì)算CCP。為了盡可能地建立負(fù)荷實(shí)際模型，假定室內(nèi)溫度為簡(jiǎn)諧波，夏季辦公建筑室內(nèi)舒適溫度為22～28 ℃，因此，室內(nèi)溫度滿足：

根據(jù)這個(gè)定義，建筑室內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在夜間通風(fēng)開始時(shí)刻hi（晚上7 點(diǎn)），室內(nèi)最低溫度出現(xiàn)在夜間通風(fēng)結(jié)束時(shí)刻hf（早上7 點(diǎn)）。

國(guó)內(nèi)的研究人員在N.Artmann 的研究基礎(chǔ)上，對(duì)不同氣候區(qū)夜間通風(fēng)的適用性進(jìn)行了定量分析，亓?xí)粤盏热薣7]使用CCP 評(píng)價(jià)方法對(duì)夜間通風(fēng)冷卻技術(shù)在我國(guó)北方地區(qū)的適用性進(jìn)行了研究，主要包括我國(guó)長(zhǎng)江以北的大部分地區(qū)和青藏高原地區(qū)。東南大學(xué)的樂小龍[2]以南京市的典型氣象年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從該地區(qū)的6、7、8 月份氣象條件出發(fā)，使用CCP 評(píng)價(jià)方法分析了南京地區(qū)的氣候。

本文接下來以浙江地區(qū)典型城市為研究對(duì)象，以氣候冷卻潛力（CCP）評(píng)價(jià)方法對(duì)省內(nèi)城市采取夜間通風(fēng)技術(shù)的適用性進(jìn)行定量分析。

2 夜間通風(fēng)適用性分析

2.1 浙江地區(qū)氣候概況

浙江地區(qū)夏季悶熱，冬季濕冷，是我國(guó)夏熱冬冷氣候的代表地區(qū)，其中1 月、7 月分別為全年氣溫最低和最高的月份，5 月、6 月為集中降雨期。馮夢(mèng)萍[8]的研究指出浙江省內(nèi)不同地理位置的城市氣候條件各不相同，全年的采暖、空調(diào)時(shí)長(zhǎng)差異較大，因此不能設(shè)定統(tǒng)一的空調(diào)采暖期進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。葉雨等人[9]以浙江省11 個(gè)城市2004-2013 年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行整理分析，據(jù)此得到浙江省11 個(gè)城市節(jié)能計(jì)算用空調(diào)期，空調(diào)期基本分布在6 月初至9 月末的時(shí)間段?！墩憬【幼〗ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》將浙江省分成北區(qū)和南區(qū)2個(gè)氣候區(qū)，其中北區(qū)主要包括：杭州、寧波、紹興、嘉興、金華、湖州、衢州、舟山。南區(qū)主要包括：溫州、臺(tái)州、麗水，該分區(qū)結(jié)果與《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》基本一致。北區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮夏季隔熱和冬季保溫，南區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮夏季隔熱，兼顧冬季保溫。

2.2 典型城市氣候冷卻潛力分析

由浙江省的氣候概況易知，南區(qū)與北區(qū)在氣候特征上有相對(duì)明顯的差異，因此本文以具有各自分區(qū)典型氣候特征的杭州市（北區(qū)）和溫州市（南區(qū)）為代表進(jìn)行城市級(jí)夜間通風(fēng)降溫潛力分析。再者，考慮夜間通風(fēng)主要應(yīng)用在空調(diào)期，因此僅分析6 月初至9 月末期間的降溫潛力。

杭州地區(qū)典型氣象年室外最低、最高溫度如圖1所示：

圖1 杭州地區(qū)日最高/最低溫度

由圖1 可知，杭州地區(qū)6 月及9 月夜晚最低氣溫一般在23 ℃以下，氣溫日較差較大。7、8 月份晝夜溫度均較高，氣溫日較差較小。

溫州地區(qū)典型氣象年室外最低、最高溫度如圖2所示：

圖2 溫州地區(qū)日最高/最低溫度

由圖2 可知，溫州地區(qū)僅6 月中上旬及9 月末夜晚最低氣溫在23 ℃以下，其余時(shí)間段晝夜溫度均較高，氣溫日較差整體較小。

根據(jù)氣候冷卻潛力（CCP）評(píng)價(jià)方法的定義，夜間19:00 至次日7:00 為夜間通風(fēng)區(qū)間，當(dāng)室外溫度比室內(nèi)低3 ℃是具有通風(fēng)冷卻潛力。對(duì)杭州地區(qū)逐月進(jìn)行分析，如圖3～圖6 所示：6 月共有125 個(gè)小時(shí)滿足氣候降溫潛力評(píng)價(jià)要求，主要分布在6 月9 日至6 月22日，期間可采取夜間通風(fēng)措施。9 月共有77 個(gè)小時(shí)滿足氣候降溫潛力評(píng)價(jià)要求，主要分布在9 月21 日至9月30 日，期間可采取夜間通風(fēng)措施。而7 月～8 月期間由于夜間氣溫絕大多數(shù)高于室內(nèi)溫度，氣候降溫潛力較小。對(duì)溫州地區(qū)逐月進(jìn)行分析，見圖7～10：僅6 月初、9 月末的幾日具備冷卻潛力，其余時(shí)間氣候冷卻潛力值基本為0，在該地區(qū)實(shí)施夜間通風(fēng)技術(shù)難度較大。

圖3 杭州地區(qū)6 月份氣候冷卻潛力

圖4 杭州地區(qū)7 月份氣候冷卻潛力

圖5 杭州地區(qū)8 月份氣候冷卻潛力

圖6 杭州地區(qū)9 月份氣候冷卻潛力

圖7 溫州地區(qū)6 月份氣候冷卻潛力

圖8 溫州地區(qū)7 月份氣候冷卻潛力

圖9 溫州地區(qū)8 月份氣候冷卻潛力

圖10 溫州地區(qū)9 月份氣候冷卻潛力

由上述分析易知，在浙江南區(qū)應(yīng)用夜間通風(fēng)降溫技術(shù)具有較大難度，相對(duì)而言，浙江北區(qū)有一定的夜間通風(fēng)降溫潛力，主要集中在6 月中旬及9 月下旬，而7 月～8 月夏季的最熱月份，由于夜間溫度較高，因此也不適宜采用夜間通風(fēng)技術(shù)。

2.3 夜間通風(fēng)冷卻的強(qiáng)化措施

根據(jù)前述分析，夜間通風(fēng)在浙江省南部地區(qū)應(yīng)用并不適宜，在北部地區(qū)空調(diào)季的初期及末期有一定的適用性，但其氣候冷卻潛力并不顯著。需要注意的是，本文所采取的評(píng)價(jià)方法——?dú)夂蚶鋮s潛力（CCP）評(píng)價(jià)法僅僅針對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行單一分析，并不兼顧建筑熱工參數(shù)或其他技術(shù)參數(shù)的影響，因此在浙江地區(qū)若想要盡可能地利用夜間冷量需要在建筑熱工與運(yùn)行技術(shù)等方面與其他節(jié)能措施協(xié)同強(qiáng)化。

在建筑熱工方面，傳統(tǒng)的夜間通風(fēng)技術(shù)是利用建筑的顯熱蓄熱體（如墻體、家具等）進(jìn)行冷量的存儲(chǔ)，但是存儲(chǔ)效果非常有限，對(duì)夏季室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控效果不甚理想。而相變材料相比于傳統(tǒng)顯熱蓄熱體，其儲(chǔ)熱密度大，蓄熱能力強(qiáng)，周期性的相變過程還可以對(duì)夏季冷負(fù)荷起到“削峰填谷”的作用。浙江地區(qū)的建筑多為輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)研究證明在夏熱冬冷地區(qū)，將相變材料應(yīng)用在輕質(zhì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上能顯著地提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，由此看來，基于相變蓄熱的夜間通風(fēng)冷卻技術(shù)在浙江地區(qū)的應(yīng)用具有一定的發(fā)展前景。

而影響夜間通風(fēng)冷卻能力的運(yùn)行技術(shù)方面則并未達(dá)成完全一致的意見，有研究者認(rèn)為20 次/h 的夜間通風(fēng)換氣量可改善建筑物的熱舒適性，也有研究者發(fā)現(xiàn)超過8 次/h 和10 次/h 的換氣量熱舒適性并未有任何改善，并且過多的換氣次數(shù)反而會(huì)造成過熱時(shí)間的增加[10]，由此揭示，要確定運(yùn)行技術(shù)因素（如換氣次數(shù)、通風(fēng)風(fēng)速、通風(fēng)溫差等）需結(jié)合整個(gè)傳熱過程，與建筑物的造型、朝向、層高等特征因素具有密切聯(lián)系，仍需進(jìn)一步探究并總結(jié)規(guī)律。

3 結(jié)論

本文以浙江省南、北氣候區(qū)各自的典型城市（溫州、杭州）為例，通過逐月分析其夜間通風(fēng)冷卻潛力（CCP），得出結(jié)論：杭州市（浙江北區(qū)）的夜間通風(fēng)冷卻潛力優(yōu)于溫州市，具有一定夜間通風(fēng)適用性，主要集中于六月中旬及九月下旬。溫州市（浙江南區(qū)）總體來說，日較差較小，日最低溫度較高，僅空調(diào)機(jī)始末的幾日存在冷卻潛力，夜間通風(fēng)實(shí)施起來頗具難度。

因而，為了最大化利用有限的夜間通風(fēng)冷卻潛力，浙江地區(qū)應(yīng)將夜間通風(fēng)技術(shù)與建筑熱工、運(yùn)行管理兩方面結(jié)合起來。在建筑熱工方面，已有研究驗(yàn)證了相變蓄熱的節(jié)能潛力。若將其與夜間通風(fēng)技術(shù)相耦合，可以更好地發(fā)揮各自節(jié)能效力。就通風(fēng)運(yùn)行技術(shù)而言，應(yīng)考慮不同的建筑造型、朝向、層高等特征制定最適宜的通風(fēng)策略。